Modulace fotosyntézy, zvyšování produktivity genetickými modifikacemi, biotechnologie, umělá fotosyntéza, …
Zvyšování účinnosti/produkce fotosyntézy (C3) • • • • •
Zvýšení účinnosti Calvinova cyklu Změny ve fotorespiraci Změny v elektrontransportním řetězci CO2 koncentrující mechanismy – na úrovni jednotlivých mesofylových buněk C4 fotosyntéza – strukturně funkční komplex změn
John R. Evans Plant Physiol. 2013;162:1780-1793
Rychlost asimilace – možnosti zvyšování produkce .
- nové pigmenty
C3 C3 C3
- bránění fotorespiraci
C3
- zvyšování účinnosti (asimilace, struktura porostu apod.)
- odvod asimilátů, bránění fotoinhibici, …
John R. Evans Plant Physiol. 2013;162:1780-1793
Zvýšení účinnosti Calvinova cyklu – zvýšení účinnosti regenerace RuBP • zvýšení exprese FBP/SBPase (fructose/sedoheptulose-bisphosphatase) • biomasa, fixace CO2 zvýšena o 20-50% • zvýšení výchozí aktivity rubisco Miyagawa et al. 2001
Manipulace fotorespirační dráhy • zavedení dráhy pro plnou (alternativní) oxidaci glykolátu na CO2 v chloroplastu: GOX, malate synthase, catalase – zvýšení koncentrace CO2 v blízkosti rubisco – obejití transaminačních reakcí a energetické spotřeby při reasimilaci NH4+ - efekt závislý na vyváženosti exprese (aktivity)!
(Maier et al. 2012)
Změny v elektrontransportním řetězci • zvýšení množství cytochromového komplexu (je limitující) • ATP syntáza je v nadbytku
• exprese cytochromu c6 z řasy v Arabidopsis thaliana – až 30% nárůst biomasy a fixace CO2 – cytochrom C6 – v roli plastocyaninu (PC) Chida at al. 2007
Zvýšení účinnosti Calvinova cyklu – manipulace rubisco • termofilní ruduchy (až 57°C) - rubisco s vysokým specificitním faktorem
• komplikované skládání a sestavování (8+8)
Zvýšení účinnosti Calvinova cyklu – manipulace rubisco • aktivnější rubisco! • pozice 309 ve velké podjednotce klíčová pro rychlost a specifitu – evoluční přepínání C3: 309Met – pomalejší, specifičtější! C4: 309Ile – rychlejší karboxylace, – nižší affinita k CO2 !!! • rychlejší má smysl jen v kombinaci s CCM (CO2 concentrating mechanism)
Zvyšování účinnosti/produkce fotosyntézy u C3 rostlin – CCM (CO2 concentrating mechanism)
CCM v jednotlivých buňkách • zabudování transportérů HCO3- do membrány plastidů • samostatný efekt – snížení kompenzační koncentrace CO2, zvýšení aktivity rubisco a zlepšený růst v prostředí se suchým vzduchem (u Arabidopsis) • v kombinaci s dalšími modifikacemi (analogicky pyrenoidu řas či karboxyzómu sinic)
Pyrenoid • • • •
kompartment ve stromatu plastidů řas obsahuje hlavně rubisco a jeho aktivázu protkán sítí tylakoidních trubiček obklopen škrobovým obalem (proti úniku CO2?)
Karboxyzóm • mikrokompartment sinic • rubisco, obalové proteiny, CA
CCM sinic
Postupné zavedení CCM sinic do rostlin
Postupné zavedení CCM sinic do rostlin
Postupné zavedení CCM sinic do rostlin
Změny ve vnitřní koncentraci CO2
CCM doprovázené strukturními změnami • dva buněčné typy s odlišnými vnitřními strukturami • snížená prostupnost BS • prostupné plasmodesmy • vzdálenost mezi žilkami (poměr mezofylových a BS buněk) – C3: 9–10 mesofylových b. mezi žilkami C4: 2–3 buňky
Navození strukturní CCM • změny stavby (morfogeneze listů) • změny exprese proteinů (enzymů, transportérů, …) • změny enzymatických vlastností (rubisco, PEPc, …)
Analýzy podmíněnosti změn: • řada genetických změn (křížení – min. 4 lokusy): - oves s kukuřičnými chromozómy (částečné znaky C4 dle vloženého chromozómu)
• ale u Bahničky jednoduché přepínání: – C3: pod vodou – C4: vzduch, popř. voda + ABA
• predispozice samotných genů (NAD-ME) ke specifické expresi
C4 metabolismus – dávná strukturně regulační predispozice? v kódující sekvenci NAD-ME je úsek navozující expresi v pochvách (okolí) cévních svazků (i u ortologů z C3 !)
Independent and Parallel Recruitment of Preexisting Mechanisms Underlying C4 Photosynthesis Brown et al. 2011, Science
- u C4: v BSC zvýšená exprese řady fotorespiračních genů (GDC!)
Navození strukturní CCM • Vnesení genů pro jednotlivé složky C4 (PEPc, PPDK – pyruvate orthophosphate dikinase, NADP-ME) bez efektu či s negativním účinkem (zpravidla prostá OE bez lokalizace) • I v případě pozitivního efektu (obecně u CCM) může být tento jen fakultativní (za daných podmínek) – nižší stabilita produkce
Předpokládaná postupná evoluce C4 u rodu Flaveria
Umělá fotosyntéza
Palivový článek
Solární (fotovoltaický) článek
Tvorba a využití slunečního Fotosyntéza - umělá - přírodní
Základní schéma oxygenní fotosyntézy
a možných strategií umělé fotosyntézy
Základní princip polovodičového solárního článku pro výrobu vodíku
Štěpení vody (přirozeně na OEC) – klíčová reakce oxygenní fotosyntézy
• TiO2 – štěpení vody • redukce protonů - zpravidla Pt
Štěpení vody na OEC – klíčová reakce oxygenní fotosyntézy
Artificial leaf: Co-OEC – analogické přirozenému OEC (PSII)
„Cockův cyklus“ na Co-OEC
• účast fosfátové skupiny + oxidace v roztoku
Co-OEC je samoreparační!
• Zpětná inkorporace samovolně uvolněných Co iontů ( ): - při aplikaci vnějšího napětí ( ) - při prosté aktivaci světlem???
Co-OEC funguje za běžných podmínek
• aktivní v jakékoli vodě bez významné změny aktivity (říční, mořské) • katoda nemusí být tak inertní (Pt), lze použít NiMoZn
Vhodně substituované vrstvy křemíkových polovodičů zajistí účinnou absorpci FAR
Jak uskladnit vodík? Energetická náročnost procesů
štěpení vody štěpení vody + depozice H2
Jak uskladnit vodík? • zabudováním do organických l. mikrobiální aktivitou
• teoreticky může být účinnější než biopaliva z rostlin
Mikrobiální inkorporace vodíku
• energeticky nejúčinnější: – redukční dráha Acetyl KoA (W–L pathway) – redukční TCA dráha
• CBB = Calvin (Benson, Bassham)-cyklus • 3HP/4HP = 3-hydroxypropionát/4-hydroxybutyrátový cyklus
Přehled metabolických drah fixace CO2
Přehled metabolických drah fixace CO2 (pokračování)
Redukční dráha Acetyl-KoA
Redukční dráha Acetyl KoA
Biopaliva – řasy nadějným kandidátem (i bez umělé fotosyntézy)
Výtěžek biopaliv z řas a vyšších rostlin
Produkce biopaliv řasami - různé typy produktů
Schéma řasové biorafinérie
Transesterifikace
Produkce biopaliv řasami různé typy
